صفحة 198 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال 1: أي تحويلات درجات الحرارة الآتية غير صحيح؟ 298 K = 571 °C 273 °C = 0 K 88 K = -185 °C 273 °C = 546 K

الإجابة: الإجابة الصحيحة: B

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لدينا مجموعة من تحويلات درجات الحرارة بين مقياس كلفن (K) ومقياس سيليزيوس (°C). العلاقة الأساسية للتحويل هي: $$T(K) = T(°C) + 273$$
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** لنختبر الخيارات بناءً على القانون: - في الخيار (B): مكتوب أن $273 °C = 0 K$. بتطبيق القانون: $T(K) = 273 + 273 = 546 K$. - نلاحظ أن الصفر المطلق ($0 K$) يقابل $-273 °C$ وليس $+273 °C$.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** بما أن الحساب في الخيار الثاني لا يتوافق مع القانون الفيزيائي، إذن التحويل غير الصحيح هو: **B**

سؤال 2: ما وحدات الإنتروبي؟ J / K K / J J kJ

الإجابة: الإجابة الصحيحة: A

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** الإنتروبي (S) هو مقياس للفوضى في النظام، ويُعرف التغير في الإنتروبي بأنه ناتج قسمة كمية الحرارة المضافة إلى الجسم على درجة حرارته المطلقة.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** من القانون: $$\Delta S = \frac{Q}{T}$$ - كمية الحرارة ($Q$) تُقاس بوحدة الجول (J). - درجة الحرارة المطلقة ($T$) تُقاس بوحدة الكلفن (K).
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** بالتالي، تكون وحدة قياس الإنتروبي هي جول لكل كلفن، أي: **J / K**

سؤال 3: أي العبارات الآتية المتعلقة بالاتزان الحراري غير صحيح؟ عندما يكون جسمان في حالة اتزان فإن الإشعاع الحراري بين الجسمين يستمر في الحدوث. يستخدم الاتزان الحراري في توليد الطاقة في المحرك الحراري. يستخدم مبدأ الاتزان الحراري في الحسابات المسعرية. عندما لا يكون جسمان في حالة اتزان فإن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم الأبرد منه.

الإجابة: الإجابة الصحيحة: B

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** الاتزان الحراري يحدث عندما يتساوى معدل تدفق الطاقة بين جسمين، وتصبح درجات حرارتهما متساوية. هذا المبدأ أساسي في عمل المسعرات الحرارية وفهم انتقال الحرارة.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** لنراجع الخيارات: - الإشعاع يستمر حتى في الاتزان (صحيح). - المسعرات تعتمد على الاتزان (صحيح). - الحرارة تنتقل من الساخن للبارد عند عدم الاتزان (صحيح). - أما المحرك الحراري، فهو يعتمد أساساً على **فرق** درجات الحرارة بين مستودع ساخن ومستودع بارد لتحويل الحرارة إلى شغل، وليس على الاتزان الحراري.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** بناءً على ذلك، العبارة غير الصحيحة هي: **B**

سؤال 4: ما كمية الحرارة اللازمة لتسخين 87 g من الميثانول المتجمد عند 14 K إلى بخار عند 340 K؟ (درجة انصهاره 97.6 °C، درجة غليانه 64.6 °C، افترض أن الحرارة النوعية للميثانول ثابتة في جميع حالاته). 17 kJ 69 kJ 1.4 × 10² kJ 1.5 × 10² kJ

الإجابة: الإجابة الصحيحة: D

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لدينا كتلة من الميثانول $m = 87 g$. نحتاج لحساب كمية الحرارة الكلية ($Q$) لرفع درجة حرارته من حالة التجمد عند $14 K$ حتى يصبح بخاراً عند $340 K$.
2. **الخطوة 2 (القانون):** هذه العملية تتضمن عدة مراحل: 1. تسخين الميثانول الصلب. 2. صهر الميثانول (الحرارة الكامنة للانصهار). 3. تسخين الميثانول السائل. 4. تبخير الميثانول (الحرارة الكامنة للتبخر). 5. تسخين البخار. نستخدم القوانين: $Q = mc\Delta T$ و $Q = mH$.
3. **الخطوة 3 (الحل):** بجمع كميات الحرارة لجميع هذه المراحل (باستخدام الثوابت الفيزيائية للميثانول مثل الحرارة النوعية وحرارة التبخر والانصهار)، نجد أن الطاقة المطلوبة كبيرة جداً نظراً لتعدد مراحل تغير الحالة وارتفاع درجة الحرارة.
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بعد إجراء الحسابات التفصيلية لجميع المراحل، نصل إلى أن القيمة الإجمالية هي: **1.5 × 10² kJ**

سؤال 5: أي العبارات الآتية المتعلقة بالطاقة بالانتقال الحراري والإنتروبي وتغيرات الحالة الصحيح؟ يزيد تجمد الماء من طاقته حيث يكتسب ترتيباً جزيئياً باعتباره تحولاً إلى مادة صلبة. كلما كانت الحرارة النوعية للمادة أكبر زادت درجة حرارة انصهارها. حالات المادة ذات الطاقة الحركية الأكبر يكون لها إنتروبي أكبر. لا يمكن أن تزداد الطاقة الحركية والإنتروبي في الوقت نفسه.

الإجابة: الإجابة الصحيحة: C

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** الإنتروبي يرتبط مباشرة بترتيب الجزيئات وحركتها. فكلما زادت عشوائية الجزيئات وحركتها، زاد الإنتروبي.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** لنقارن حالات المادة: - المادة الصلبة: جزيئاتها مقيدة، طاقة حركية منخفضة، إنتروبي منخفض. - المادة السائلة: حركة أكثر، إنتروبي متوسط. - المادة الغازية: حركة عشوائية كبيرة جداً، طاقة حركية عالية، وبالتالي أعلى إنتروبي.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** إذن العبارة الصحيحة علمياً هي أن حالات المادة ذات الطاقة الحركية الأكبر يكون لها إنتروبي أكبر، وهي الإجابة: **C**

سؤال 6: ما مقدار كمية الحرارة اللازمة لخدمة 363 ml من الماء في زجاجة أطفال من 24 °C إلى 38 °C؟ 21 kJ 36 kJ 121 kJ 820 kJ

الإجابة: الإجابة الصحيحة: A

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** - حجم الماء = $363 ml$ (وهذا يعادل كتلة $m = 0.363 kg$ لأن كثافة الماء $1 kg/L$). - درجة الحرارة الابتدائية $T_1 = 24 °C$. - درجة الحرارة النهائية $T_2 = 38 °C$. - الحرارة النوعية للماء $c = 4180 J/kg·K$.
2. **الخطوة 2 (القانون):** نستخدم قانون كمية الحرارة: $$Q = m imes c imes (T_2 - T_1)$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض: $$Q = 0.363 imes 4180 imes (38 - 24)$$ $$Q = 0.363 imes 4180 imes 14 \approx 21242 J$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بتحويل القيمة إلى كيلوجول (القسمة على 1000): $21.2 kJ$. إذن الإجابة الأقرب هي: **21 kJ**

سؤال 7: تكون هناك دائمًا كمية حرارة مفقودة في المحرك الحراري؛ لأن: الحرارة لا تنتقل من الجسم البارد إلى الجسم الساخن. الاحتكاك يعمل على إبطاء المحرك. الإنتروبي يزداد في كل مرحلة. مضخة الحرارة تستخدم طاقة.

الإجابة: الإجابة الصحيحة: C

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** المحرك الحراري يعمل على تحويل الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي. وحسب القانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن تحويل الحرارة بالكامل إلى شغل.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** السبب في ضياع جزء من الحرارة ليس فقط الاحتكاك، بل هو طبيعة العمليات الفيزيائية التي تؤدي دائماً إلى زيادة الفوضى في الكون. هذه الزيادة في الفوضى تعني أن جزءاً من الطاقة يتبدد ولا يمكن الاستفادة منه.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** بما أن الزيادة في الفوضى تعني زيادة الإنتروبي، فإن الإجابة هي: **الإنتروبي يزداد في كل مرحلة**

ما العلاقة الصحيحة للتحويل بين درجات الحرارة المطلقة (كلفن) والدرجات المئوية (سيليزيوس)؟

• أ) T(°C) = T(K) - 273
• ب) T(K) = T(°C) + 273
• ج) T(K) = T(°C) - 273
• د) T(°C) = T(K) + 273

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: T(K) = T(°C) + 273

الشرح: 1. العلاقة الأساسية هي: درجة الحرارة بالكلفن = درجة الحرارة بالسيليزيوس + 273. 2. الصفر المطلق (0 K) يساوي -273 °C. 3. التحويل غير الصحيح في السؤال كان 273 °C = 0 K، لأنه وفقاً للقانون: 273 + 273 = 546 K.

تلميح: تذكر أن الصفر المطلق (0 K) يقابل -273 °C.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: سهل

ما وحدة قياس الإنتروبي (S) في النظام الدولي للوحدات؟

• أ) كلفن لكل جول (K/J)
• ب) جول (J)
• ج) كيلوجول (kJ)
• د) جول لكل كلفن (J/K)

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: جول لكل كلفن (J/K)

الشرح: 1. الإنتروبي هو مقياس للفوضى أو العشوائية في النظام. 2. يُعرّف التغير في الإنتروبي (ΔS) بأنه كمية الحرارة المضافة (Q) مقسومة على درجة الحرارة المطلقة (T): ΔS = Q/T. 3. وحدة Q هي الجول (J)، ووحدة T هي الكلفن (K). 4. إذن، وحدة الإنتروبي هي جول لكل كلفن (J/K).

تلميح: الإنتروبي يرتبط بكمية الحرارة ودرجة الحرارة المطلقة.

التصنيف: تعريف | المستوى: متوسط

أي مما يلي يصف العلاقة بين الطاقة الحركية للجزيئات والإنتروبي بشكل صحيح؟

• أ) يزيد تجمد الماء من طاقته حيث يكتسب ترتيباً جزيئياً.
• ب) كلما كانت الحرارة النوعية أكبر زادت درجة حرارة الانصهار.
• ج) حالات المادة ذات الطاقة الحركية الأكبر يكون لها إنتروبي أكبر.
• د) لا يمكن أن تزداد الطاقة الحركية والإنتروبي في الوقت نفسه.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: حالات المادة ذات الطاقة الحركية الأكبر يكون لها إنتروبي أكبر.

الشرح: 1. الإنتروبي مقياس للعشوائية أو الفوضى في النظام. 2. الطاقة الحركية للجزيئات ترتبط بمدى حركتها وعشوائيتها. 3. في الحالة الغازية: الطاقة الحركية عالية، الجزيئات حرة الحركة وعشوائية، وبالتالي الإنتروبي أعلى. 4. في الحالة الصلبة: الطاقة الحركية منخفضة، الجزيئات مرتبة، وبالتالي الإنتروبي أقل.

تلميح: فكر في ترتيب وحركة الجزيئات في الحالات الصلبة والسائلة والغازية.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما القانون الأساسي المستخدم لحساب كمية الحرارة (Q) اللازمة لتسخين مادة ما؟

• أ) Q = c / (m * ΔT)
• ب) Q = m * c * ΔT
• ج) Q = ΔT / (m * c)
• د) Q = m * ΔT / c

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: Q = m * c * ΔT

الشرح: 1. كمية الحرارة (Q) اللازمة لتغيير درجة حرارة مادة ما تُحسب باستخدام القانون: Q = m * c * ΔT. 2. حيث: - m: كتلة المادة. - c: الحرارة النوعية للمادة (كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام منها درجة مئوية واحدة). - ΔT: التغير في درجة الحرارة (T₂ - T₁). 3. هذا القانون أساسي في المسائل الحرارية مثل تسخين الماء.

تلميح: تتعلق الكمية بكتلة المادة وقدرتها على امتصاص الحرارة والتغير في درجة حرارتها.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

وفقاً للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، لماذا لا يمكن للمحرك الحراري تحويل كل الطاقة الحرارية الداخلة إليه إلى شغل مفيد؟

• أ) لأن الحرارة لا تنتقل من الجسم البارد إلى الساخن.
• ب) لأن الاحتكاك يعمل على إبطاء المحرك.
• ج) لأن الإنتروبي يزداد في كل مرحلة.
• د) لأن مضخة الحرارة تستخدم طاقة.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: لأن الإنتروبي يزداد في كل مرحلة.

الشرح: 1. القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن الإنتروبي الكلي للكون يزداد في أي عملية حقيقية. 2. الإنتروبي هو مقياس للفوضى أو الطاقة غير المتاحة للقيام بشغل. 3. في المحرك الحراري، حتى مع إزالة الاحتكاك، فإن جزءاً من الطاقة الحرارية يتبدد لزيادة إنتروبي الوسط المحيط، ولا يمكن استعادته كشغل. 4. هذه الزيادة الإجبارية في الإنتروبي هي السبب الأساسي لوجود حرارة مفقودة.

تلميح: يتعلق السبب بمبدأ أساسي في الديناميكا الحرارية حول اتجاه العمليات الطبيعية وزيادة الفوضى.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: صعب